PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg DPG-Herbstschule Maria Laach 12. September 2005

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DESY HERA PETRA H1 Hermes ZEUS T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

GLIEDERUNG eine ‘Tour de Force de HERA’ in 60 Minuten Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton? HERA und die Experimente H1 und ZEUS Das Proton und seine Struktur Der hadronische Endzustand, Jets Die Physik schwerer Quark Diffraktion Exotische und neue Physik } Je nach Zeit und Laune Kein Ergebnis-Marathon – statt dessen lieber Verständnis der Basics! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

KINEMATIK DER ep-STREUUNG Das Elektron als Sonde, x und Q2 ,Z,W k Lepton (e±) Proton P k’(e±,) Neutral current (NC): epeX Charged current(CC): epX p=xP Q2=-q2=-(k-k’)2 y=1-E’/E: Inelastizität Q2: Auflösung ~1/Q] bei gegebenem s nur zwei Variablen unabhängig: Q2 = s·x·y x=Q2/2Pq: Anteil des Proton- impulses in harter Streuung. Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV s = 4EeEp ~ 318 GeV T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DAS PROTON UNTER DER LUPE QCD und die Strukturfunktion F2 ep-Streuung ~ eq-Streuungen! F2(x) ~ eq2 xq(x,Q2) q(x,Q2) ist Wahrscheinlichkeit, bei Auflösung Q2 ein Parton q mit Impulsanteil x zu finden: Partonverteilungsfunktion, PDF Elektron (Q2) x Proton F2: beschreibt dynamische Struktur des Protons Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q] HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

STRUKTUR DES PROTONS Von Rutherford zum Quark-Parton-Modell Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2): -- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss -- Spin-1/2-Target  magnetische WWirkung Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M -- GE,M: Formfaktoren  Ausdehnung -- G2E,M~(1+Q2)-1 Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung  zwei Variablen Q2,! W1,2 entsprechen den (quadrierten) elastischen Formfaktoren GE,M! SLAC 1969: W1,2 hängen nur von einer dimensionslosen Variable x=Q2/2 ab – und nicht von zwei Variablen Q2 und  – “Scaling”. Wieso? Bjorken: Parton-Hypothese! Ausdehnung des Protons durch punktförmige Spin-1/2-”Partonen” (die später mit den Quarks identifiziert wurden)! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

STRUKTUR DES PROTONS Frühe Messung des Skalenverhaltens W2 Die Struktur ist bei festem x von Q2 und  unabhängig! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

STRUKTUR DES PROTONS Auf dem Weg zur QCD – Quark-Parton-Modell Unelastische ep-Streuung = Summe der elastischen eq-Streuungen fqi(x)dx: Wahr’keit, ein Parton vom Typ i mit Impulsanteil x im Interval [x,x+dx] zu finden. Strukturfunktionen F1,2, z.B.: Partonverteilungs/dichte-Funktionen (parton distribution functions, PDFs): fi(x) fi(x) x 1/3 1 “Scaling” in einfachen Worten: Die Bestandteile des Protons sind punktförmige – die Auflösung Q2 spielt keine Rolle! Nicht-wwirkende Partonen Wwirkende Partonen Diese (drei) Partonen nennt man die “Valenzquarks” des Protons. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

STRUKTUR DES PROTONS Der heutige Stand: Quantenchromodynamik - QCD Letzter Schritt: Es gibt Gluonen! Quarks strahlen Gluonen ab, Gluonen strahlen Gluonen ab und zerfallen in zwei Quarks. Virtuelle Fluktuationen! Mit jeder Abstrahlung wird Dichte der Partonen bei hohen x kleiner, die bei kleineren x-Werten nimmt zu. Proton=Valenzquarks + Seequarks + Gluonen! Mit steigendem Auflösungsvermögen Q2 kann man mehr von diesen Prozessen / Partonen bei kleinen x “sehen” (und weniger Partonen mit hohem x). F2(x)  F2 = F2(x,Q2) – “Scaling Violations” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

STRUKTUR DES PROTONS QCD verletzt das Skalenverhalten! F2(x,Q2) Q2 Mit steigendem Q2 nimmt See- quarkdichte zu (gqq). Für kleine y, E’~E: SLAC ’69! Mit steigendem Q2 nimmt Valenz- quarkdichte ab (qqg). T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK Die Bedeutung von x und Q2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK x und Q2 im Wechselspiel T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK x und Q2 im Wechselspiel T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

UND DIE ZUKUNFT x und Q2 bei LHC im Wechselspiel T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DESY UND HERA ep-Collider im Herzen von Hamburg Umfang 6.3 km Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV DESY UND HERA ep-Collider im Herzen von Hamburg T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

HERA-Luminosität Lumi-Upgrade im Jahr 2000 HERA I+II HERA I Physik-Lumi: HERA-I (ZEUS): 132pb-1 HERA-II (e+) : 40.6pb-1 HERA-II (e-) : ~100pb-1 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DAS H1-EXPERIMENT Asymmetrische Detektoren – ep-CMS! -- LAr-Kalorimeter mit 45000 Zellen -- SpaCal: rückwärtiges Kalorimeter -- 2 grosse Jetkammern -- Silizium zentral/rückwärts -- Myon-System Proton Elektron -- 400 Physiker aus 12 Ländern -- HERA-Halle Nord -- 15*15*15m3 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DAS H1-EXPERIMENT Etwas schematischer T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DAS H1-EXPERIMENT im “Eventdisplay” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

NOCH EIN H1-EREIGNIS High-Q2 NC! Jet p T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

Das ZEUS-Experiment p 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten Muon-Kammern Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen p Weitere Kalorimeter Solenoid e Spurkammern Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) kompensierend T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

ZEUS-Microvertex-Detector (MVD) Eingebaut im Shutdown 2001/02 p Wechselwirkungspunkt 360k elektrische Kanäle im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren Nutzen vor allem für die Physik schwerer Quarks  Ausnutzung der Zerfälle langlebiger Hadronen T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DAS ZEUS-EXPERIMENT Die Kollaboration T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

GLIEDERUNG Zwischenstand Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton? HERA und die Experimente H1 und ZEUS Das Proton und seine Struktur Der hadronische Endzustand, Jets Die Physik schwerer Quark Diffraktion Exotische und neue Physik T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIE STRUKTURFUNKTION F2 ‘Nur’ Messung des differentiellen WQS! Der doppelt-differentielle WQS in x, Q2! Ich muss also nur diese beiden Variablen der Kinematik bestimmen (und dann die Anzahl der Ereignisse pro Bin in x,Q2 zählen). Aber … wie? e(E’,) e(27.5GeV) Ich muss nur das gestreute Elektron messen: E’,   x,Q2!  “inklusive Messung” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIE STRUKTURFUNKTION F2 Unterteilung der kinematischen Ebene in x,Q2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIE STRUKTURFUNKTION F2 Kleine x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen gqq.  Seequarkdichte steigt an! Valenzquarks bei hohen x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen qqg  Valenzquarkdichte nimmt ab! Typischer Fehler: 2% T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

ELEKTROSCHWACHE EFFEKTE Unterschied zwischen e+p und e-p! Niedrige Q2: Nur Photonaustausch:  Q2~MZ2: Photon+Z-Austausch: F2: -- elektromagnetische Struktur des Protons -- Summe von Quarks und Antiquarks  See! xF3: -- Interferenz Photon-Z -- Differenz von Quarks, Antiquarks  Valenz! -- Paritätsverletzung in der schwachen WW! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

ELEKTROSCHWACHE EFFEKTE Unterschied zwischen e+p und e-p! Q2 ~ MZ2: Z-Austausch möglich! /Z e-: Konstruktive Interferenz Unterschiedliche Interferenz- Effekte zwischen  und Z für e±p-Streuung sichtbar für Q2 > 1000 GeV2! e+: Destruktive Interferenz T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DER GELADENE STROM Austausch von W-Bosonen – Händigkeit der schwachen WW d2sCC GF dxdQ2 4 px (e) = (Y+F2 Y-xF3 - y2FL )  M2 M2 + Q2 W 2 Effekt der W-Masse durch Propagator e+ und e- koppeln an unterschiedliche Quarks  e+p  e-p s = x [u+c+(1-y)2(d+s)] s = x [u+c+(1-y)2(d+s)] Test des d-Valenzquarks Test des u-Valenzquarks T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DER GELADENE STROM Austausch von W-Bosonen NC NC: Unterschied durch Vor- zeichenwechsel im /Z- Interferenzterm in e±. CC: Unterschied zwischen e+ und e- wegen Kopplung an verschiedene Quarks! Elektroschwache Verein- heitlichung! CC T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

POLARISIERTE ELEKTRONEN Test der elektroschwachen Struktur des SM Seit 2003: HERA mit longitudinal polarisierten Elektronen. Erinnerung: Im SM koppeln Teilchen nur linkshändig! 04-05 e-p NC: “Textbook Measurement”: Sieht man die erwartete Chiralitätsstruktur des SM? Oder gibt es rechtshändige schwache Kopplungen? e-R eR uR dR W–R? 03-04 e+p Q2 > 400 GeV2 y < 0.9 HERA I T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

F2 UND DIE PDFs Wie komme ich von F2 zu den PDFs? PDFs a priori unbekannt: Plausible Annahmen für Startskala Q02. Evolution der PDFs von Startskala Q02 zu beliebiger Skala Q2 mit DGLAP-Gleichungen Setze F2 in Berechnung von d2/dxdQ2 ein und vergleiche mit Daten  adjustiere die Parameter A,B,C,D  iterative Prozedur! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

F2 UND DIE PDFs Wie komme ich von F2 zu den PDFs? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

UNIVERSALITÄT DER PDFs Vergleich verschiedener Fits und Input-Daten T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DER HADRONISCHE ENDZUSTAND Jets als einfacher Zugang zur Partondynamik Bis jetzt “nur” das gestreute Elektron gemessen. Und “der Rest”? ? Problem: Confinement (Nobelpreis 2004)! Keine freien Quarks/Gluonen!  aus einzelnen Partonen werden Bündel (“Jets”) von Teilchen. Rekonstruktion des 4er-Impulses des Partons aus dem des Jets  Zugang zu Matrixelement!  Partonen  Hadronisierung  viele Spuren/ Energiedepositionen  Jets QCD bis jetzt beschränkt auf PDFs. Kopplung ist elektroschwach! Wir wollen QCD jetzt auch im Matrixelement! -- Gluon-induzierte Prozesse -- Abstrahlung von Gluonen im Endzustand. Dazu: Zusammenspiel von PDF und Matrixelement zum WQS (Faktorisierung) PDF Matrixelement T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

JETS IM ENDZUSTAND Aus Fragmentation, Hadronisierung von Quarks p T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DER JET-WIRKUNGSQUERSCHNITT Faltung von PDF und partonischem Matrixelement (ME) Matrixelement PDF Die PDFs fa/p werden in anderen Prozessen gemessen und übertragen.  Test ihrer Universalität und von Faktorisierung! Bis jetzt erfolgreich! Potenzreihenentwicklung in s darstellbar durch Feynman-Diagramme immer höherer Ordnungen: s0 s1 s2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTE 1,2,3-Jet-Ereignisse In vielen Fällen werden die Daten perfekt von der Theorie beschrieben. Wir verstehen: -- die QCD-Matrixelemente -- die PDFs (Universalität!) -- die Faktorisierung von PDF und ME! Was können wir noch lernen? s, PDFs … T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

WIE WIRD DIE KOPPLUNG BESTIMMT? Variation von s(MZ), bis es “passt”! QCD-Vorhersage als Funktion von s(MZ). Gemessener Datenpunkt Messergebnis für s. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

JETS UND DIE STARKE KOPPLUNG Ein schöner QCD-Konsistenztest Bei gegebenem s(MZ) ist Verlauf von s(Q) im Rahmen der QCD vorgegeben T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

PHYSIK SCHWERER QUARKS “Charming” und “Beautyful” Jetzt schwere Quarks (c,b) im Endzustand – können sogar gebunden sein (J/cc). Durch Fragmentation der Quarks werden charm/beauty-Hadronen erzeugt (D*). Erzeuge D* etc. und vermesse sie – Herausforderung an Theorie. Detail: Die (hohe) Quarkmasse ist eine weitere Skala, die in der perturbativen Rechnung benutzt werden kann  theoretisch interessant! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DAS TAGGING SCHWERER QUARKS relativer Transversalimpuls von Zerfallsleptonen c,b-Hadronen: Zerfall semileptonisch. -- Hohe Masse von B (D)  hohes pT der Leptonen relativ zum hadronischen Jet. Klare Trennung von beauty/charm und Untergrund leichter Quarks. -- zumindest auf statistischer Basis (also nicht event-by-event) T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DAS TAGGING SCHWERER QUARKS “Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes Hadronen schwerer Quarks haben lange Lebensdauern  messbare Flugstrecken vor Zerfall  sekundäre Zerfallsvertizes oder  grosse Impaktparameter   Jet B-Hadron IP Sekundärvertex  T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA DAS TAGGING SCHWERER QUARKS “Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

PHYSIK SCHWERER QUARKS Mit hochauflösenden Silizium-Vertexdetektoren Ortsauflösung ~20 m! Auflösung sekundärer Zerfalls- vertizes aus den Zerfällen der langlebigen schweren Quarks. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SCHWERER QUARKS Extraktion von F2cc, F2bb. Anteil der Struktur, der zu schweren Quarks im Endzustand führt. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

D*-WIRKUNGSQUERSCHNITTE Gute Beschreibung von charm durch die Theorie T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

PHYSIK SCHWERER QUARKS Beauty-Produktion als Sorgenkind Beauty-Messungen konvergieren langsam. Aber immer noch grosse (theoretische) Unsicherheiten: Massen der schweren Quarks (20%) Skalen in der theoretischen Rechnung Gluondichte T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIFFRAKTION Ereignisse ohne Aktivität “vorne” 10% der Ereignisse bei HERA haben “rapidity gap” – es fehlt die Abstrahlung vom Farbstring zwischen Proton und harter Streuung. Beschreibung durch farbloses “color singlet”-Objekt -- zwei Gluonen? -- “Pomeron”? Ableitung einer PDF des farb- losen Objekts: F2D analog zu F2 bei den inklusiven WQS. Abstrahlung vom Farbstring Farbloses Objekt Proton-Rest Gestreutes Elektron “Rapidity gap” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIFFRAKTION Diffraktive Strukturfunktion T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

DIFFRAKTION Kann man die Ergebnisse zum Tevatron übertragen? pp γ*p Genau wie F2 sollte F2D universell sein  kann man mit HERA-F2D diffraktive Tevatron-Daten be- schreiben? Der Tevatron-Wirkungsquerschnitt ist einen Faktor 3-10 zu tief! Mögliche Ursache 1: Faktorisierung von PDF und harter Streuung funktioniert (hier) nicht. Mögliche Ursache 2: die Unterschiede zwischen den Ereignissen bei HERA und am Tevatron sind zu gross (MI, UE?). Spannende Frage: Was passiert bei LHC? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 1: Leptoquarks (Supersymmetrie) Quarks und Leptonen: punktförmige Teilchen, die sich ähnlich verhalten: Gruppierung in Familien (3x2) Gibt es eine höhere Symmetrie? Leptoquarks (LQ): Teilchen mit B0 und L0 und drittelzahliger Ladung Mehrere Theorien sagen Existenz von LQs voraus! s-Kanal u-Kanal T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks Signatur: einzeln nicht unterscheidbar von NC/CC-Ereignis, aber: Resonanz in e+-Jet-Massenverteilung SM: WQ sinkt mit Q2, LQ: Überschuss bei hohem Q2 Kein eindeutiges Signal bei HERA!  Berechne Grenzen für die Kopplung ij als Funktion von MLQ T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks - Massenlimits T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 2: Pentaquarks – 5 Quarks in einem Hadron? Bisher bekannt: Mesonen und Baryonen Warum nicht mehr Quarks pro Hadron??? Evidenz für Pentaquarks, z.B. uudds. Proton-ID via dE/dx! Derzeitige Meinung: Wahrscheinlich nichts! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 3: Angeregte Fermionen Annahme: Fermionen nicht punktförmig, sondern zusammengesetzt  Möglichkeit, angeregte Zustände zu erzeugen! Lagrangian (Hagiwara et al.): Massenskala  muss endlich sein f,f’,fs: freie Parameter, mindestens einer 0! L = L-1 (f • SU(2) + f ‘ • U(1) + fS • SU(3)) HERA: Anregung des auslaufenden Leptons oder gestreuten Quarks Suche nach Resonanzen in invarianten Massen der Zerfallsprodukte T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Angeregte Fermionen - Ergebnisse Kein Überschuss gefunden  setze Limit auf f/L! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 4: Kontaktwechselwirkungen T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

ZUSAMMENFASSUNG Noch zwei Jahre mit hoher Lumi! HERA macht interessante Physik in vielen Bereichen: QCD: PDFs, s, Tests der Grundlagen von QCD (Faktorisierung etc.) Elektroschwache Physik: Photon, Z, W – Polarisation … Physik schwerer Quarks Diffraktive Physik Neue Physik HERA hat derzeit ca. 270pb-1 Daten gesammelt; in vielen Bereichen sind erst 80pb-1 oder weniger analysiert. Datennahme bis 31. Juli 2007: Ziel sind 700pb-1  für manche Analysen 10fache Statistik! Reduktion der Fehler und Offenheit für neue Physik! Ich hoffe, ich konnte Ihnen einen kleinen Überblick über die HERA- Physik verschaffen und wünsche Ihnen noch eine schöne Zeit in Maria Laach. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA